PBX 炸药本构关系的实验研究

在SHPB装置上开展了某典型PBX炸药的单轴压缩、间接拉伸实验。利用入射波整形技术,结合半导体应变片和石英晶体联合测试的方法,实现了PBX炸药的应力平衡和恒应变率加载,得到了不同应变率下某PBX炸药的压缩应力应变曲线,初步建立了该炸药的修正Sargin唯象模型;开展了3种PBX炸药的动态巴西实验,通过高速摄影获得了炸药的破坏过程,结合数字相关技术,获得了试样裂纹附近的应变场分布,初步建立了描述3种炸药动态拉伸行为的修正Johnson-Cook模型。模型曲线与实验结果符合较好。     

非均质结构PBX炸药的动态压缩过程模拟

采用离散元方法,构建了考虑PBX炸药晶体颗粒与黏结剂非均匀性的计算模型,通过在炸药试样两端采用相向飞片加载、将原SHPB实验的应力边界替代为速度边界的方法,开展了PBX炸药的动态压缩数值模拟研究,再现了考虑PBX炸药非均质特性的SHPB实验过程,获得了不同加-卸载路径下炸药应力应变曲线以及相应的损伤破坏图像。模拟结果表明:在动态压缩过程中,虽然PBX炸药处于整体应力平衡,由于PBX高度非均质性,内部应力分布并不均匀,晶体间应力以应力桥形式传递;应力曲线为试样整体平均,试样内局部所受真实应力可能高于曲线峰值应力;出现卸载回滞曲线的试样发生局部损伤破坏,而完全软化曲线的试样发生整体失稳破坏。     

损伤断裂的宏细观过程

损伤断裂的宏细观过程（１９９４—１９９６年工作总结）国家自然科学基金重大项目“材料损伤、断裂机理和宏微观力学理论”子课题国家自然科学基金委员会设立的重大项目“材料损伤断裂机理和宏微观力学理论”第２课题“损伤断裂的宏细观过程”自１９９４年１月至１９９６...      

多组分PBX炸药细观结构冲击点火数值模拟

建立了炸药颗粒自由堆积三维计算模型,考虑了炸药颗粒尺寸和位置的随机分布、粘结剂对炸药颗粒的包覆和不同组分炸药颗粒间的级配;采用非线性有限元方法,对炸药颗粒由自由堆积到密实装药的压药过程进行模拟,构建了PBX炸药细观结构模型;对多元PBX炸药（HMX+TATB+Estane）细观结构冲击点火过程进行了计算,考虑冲击作用下炸药内部热力耦合作用和自热反应,计算不同组分比例混合炸药的冲击点火性能,分析了炸药组分对冲击点火的影响。研究表明TATB含量增加,混合炸药冲击感度降低。

     

PBX9502炸药爆轰产物的状态方程

采用vanderWaals等效单组分流体模型和Ross硬球微扰理论软球修正模型,计算了爆轰气相产 物的状态方程;用石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态描述凝聚成分,由Gibbs自由能最 小确定了不同状态下的凝聚产物相态。对爆轰产物混合系统采用自由能最小原理,通过化学平衡方程组求解 了炸药爆轰产物系统的平衡组分。使用该理论计算了高含碳炸药PBX9502Chapman-Jouguet(CJ)点的爆轰 参数,计算值与实验值符合很好;同时计算了3条等温线,并与Sesame库比较,发现温度超过1000 ℃时,计 算值与Sesame库的计算结果比较接近。在计算的5802K 等温线上发现了一个拐点,分析发现是由于在此 处游离态的碳发生了相变。     

单轴压缩下2种PBX炸药的动态变形损伤及其温升效应

通过炸药单轴压缩实验,利用高速摄影和高速红外热像仪,对2种典型PBX炸药变形损伤过程和温升效应进行了实时观测。实验结果表明,2种典型PBX炸药的损伤以及温升效应表现出明显差别:低粘结剂含量的炸药表现出明显的脆性特征,材料应力应变曲线中的应变软化阶段是伴随着材料损伤的演化过程,最终的失稳破坏导致样品中贯穿裂纹的形成,非均匀的裂纹分布对应于局部高温带的出现; 高粘结剂含量的炸药表现出明显的韧性特征,材料应力应变曲线未出现应变软化现象,变形损伤分布较均匀,但剪切方向出现网络状的温升分布。     

断裂损伤与细观力学

本文从力学发展的角度,对断裂力学、损伤力学与细观力学的主要内容及其发展,作了简要的介绍和评述.指出:固体力学与其它学科的交缘汇合,并深入到细观结构的层次进行研究,这一研究发展的势头已是很明显的了.细观力学、损伤力学与断裂力学构成了从细观尺度直至宏观尺度以描述材料与结构的破坏过程的破环理论的主要内容.它使得作为固体材料的力学的基本内容之一的破坏理论,面临一个新的发展阶段.     

固体炸药损伤破坏实验研究

利用显微观察和数字图像相关处理,对一种固体炸药材料的损伤破坏行为进行了研究,获得了带预制裂纹试件在裂纹尖端附近区域的位移分布,以及微裂纹的诱发和发展历程.断裂过程的结果表明,裂尖的位移分布与裂纹的受载形式有关,而最终断裂的裂纹破坏路径总是趋向于加载方向.通过扫描电镜下的实验观察,发现造型粉颗粒的界面脱落是炸药损伤的主要因素,它的发展会导致微裂纹的产生和发展.     

孔隙度对PBX炸药冲击起爆影响的实验研究

为了研究孔隙度(装药密度)对PBX炸药冲击起爆爆轰成长的影响,采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验测试系统,测量了不同孔隙度的PBXC03炸药(HMX的质量分数为87%,TATB的质量分数为7%,黏结剂的质量分数为6%)冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力-时间历史。结果显示:在本文装药范围和加载条件下,孔隙度对PBX炸药冲击起爆爆轰过程的影响不单调,中等密度的炸药冲击起爆和爆轰成长最快,这是热点点火过程与燃烧反应过程共同作用的结果。     

国家自然科学基金重大项目“材料损伤、断裂机理和宏微观力学理论”子课题细微观变形、破坏模型和基本理论（1994—1996年工作总结

国家自然科学基金重大项目“材料损伤、断裂机理和宏微观力学理论”子课题细微观变形、破坏模型和基本理论（１９９４—１９９６年工作总结）１主要科学进展（１）建立和完善多晶滑错体塑性理论；（２）发展了晶体硬化率的理论模式，建立了确定硬化系数的非线性规划方法；...     

RDX基PBX的做功能力及JWL状态方程参数确定

为研究RDX基PBX炸药的做功能力并确定其爆轰产物的JWL状态方程参数,对RDX基PBX炸药和TNT炸药进行?50 mm标准圆筒实验,获得了圆筒膨胀位移和速度的时程曲线,对比得出RDX基PBX炸药的做功能力明显高于TNT炸药;基于能量守恒对实验数据进行非线性拟合,得到2种炸药爆轰产物的JWL状态方程参数。TNT炸药的拟合参数和通过AUTODYN软件计算得到的结果符合较好;将采用上述方法得到的RDX基PBX炸药爆轰产物JWL状态方程参数用于数值模拟,计算结果与实验值吻合较好,符合数值模拟标定JWL状态方程参数的要求。     

多种群遗传算法在PBX本构模型参数识别中的应用

利用多种群并行结构对标准遗传算法SGA进行并行化处理,引入移民算子和精华种群形成多种群遗传算法MPGA,并设计了自适应交叉和变异概率对算法的收敛速度进行改进。结合ABAQUS软件和改进的多种群遗传算法,建立了材料本构模型参数识别方法。采用该方法对PBX炸药黏弹性损伤本构模型参数进行了模拟识别,并同基于标准遗传算法的参数识别方法进行了比较。结果证明,基于改进多种群遗传算法IMPGA的方法对克服算法未成熟收敛有显著的效果,识别结果更稳定。同时该方法的收敛速度更快,寻优能力更强,适合复杂非线性问题的优化,此方法可以被应用到其他材料本构模型的参数识别中。     

高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜 (OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附 近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本 体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A 本构关系用于描述基体材料 的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径 向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。     

高聚物粘结炸药断裂特性实验研究

研究了高聚物粘结炸药在室温下的断裂特性 ,结果表明这类材料的断裂韧性与裂纹长度有关 ,所测试的断裂韧性值随着裂纹长度的增加而降低 ,并且不趋于一个较稳定的值 ,这与金属材料的结果不一样。断面观察发现断面上有分布的颗粒 ,且周围与基体界面的微裂纹使得材料的断裂性能降低。分析表明 ,对工程应用来讲 ,可以选取 0 .2a/W 0 .3范围内的裂纹长度来确定这类材料的断裂韧性。     

Two Nonlinear Models of Brittle Fracture for Solids

This paper considers isotropic and orthotropic nonlinear constitutive relations for brittle materials in the case of plane stresses. Numerical solution algorithms based on the finite-element method are developed. The resulting material models are incorporated in the PIONER software. The correctness of crack path determination is examined by solving a test problem of crack propagation. The isotropic model gives mesh-dependent results, whereas the orthotropic model provides an adequate solution. It is shown that solutions obtained for the isotropic model are close to those obtained by eliminating failed elements.     

不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析

平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下, 脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题. 本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验, 采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法, 对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析, 探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响. 结果显示: (1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感, 平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化, 即使满足巴西实验"中心起裂"条件, 其强度仍低于垫条加载情况, 两者差别达17.9%; (2)如果软垫条加载接触角合理设计, 与平板直接加载相比, 其应力场更稳定, 有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始, 更好满足巴西劈裂实验条件; (3)仅校验巴西实验 "中心起裂"有效性条件是不充分的, 设计时必须谨慎考虑. 研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.      

混凝土空心板动力损伤诊断研究

利用4块预应力混凝土空心板的动力测试数据,对板的支承条件和损伤参数进行了识别。识别板的支承条件时,引入弹性支座－质量体系,利用实测的前四阶固有频率作为已知信息,直接采用牛顿法求解,根据板的损伤特征,以线弹性断裂力学为基础,推导了混凝土构件裂缝截面转动刚度表达式。然后利用特征值灵敏度分析和实测的固有频率变化率对单条裂缝的位置及裂缝程度进行了识别。     

缺口膨胀环实验的设计分析与数值模拟

提出并设计了用于研究材料在冲击拉伸加载下损伤演化过程的缺口膨胀环实验。通过数值模拟研究了缺口膨胀环的拉伸加载历程。研究表明,缺口膨胀环各位置经历拉伸加载时间的长度由其与缺口之间的距离决定,但加载时间长度不能简单按Mott卸载波的传播时间来估计,需要借助膨胀环各位置的速度历史来确定。